CN103726887B - 一种燃煤机组汽轮机性能在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃煤机组汽轮机性能在线监测方法，所述方法包括步骤如下：步骤1，根据锅炉运行设计规程，获得锅炉结构参数，从DCS控制系统的实时数据库里读取给定时刻下汽水系统、换热器系统的运行工况测点实时数据；步骤2，基于工质物性参数库计算工质的比焓及密度；步骤3，根据工质侧能量衡算模型，分别计算工质在汽水系统、换热器系统中吸收的热量,获得工质总能量增量；步骤4，建立工质总能量增量与机组输出功率之间的传递函数模型，并通过参数辨识获得汽轮机效率及热耗率。本发明可用于在线监测汽轮机运行状况，为机组协调优化提供技术支撑。

Description

一种燃煤机组汽轮机性能在线监测方法

技术领域

本发明涉及火力发电控制领域中的一种汽轮机性能的实时估计技术，具体地说，是一种基于工质侧能量动态衡算的汽轮机性能在线监测方法。

背景技术

我国燃煤火电机组容量占据75%左右，对火电机组的效率监测具有重要的意义。燃煤火电机组整体的效率主要取决于锅炉效率和汽轮机装置效率，以及管路效率等。对于亚临界机组，锅炉效率在89～91%左右，管道效率可达98%以上，而汽轮机系统由于存在着很大的冷端损失，导致其效率约为40%左右，可见汽轮机系统效率是影响电站总体能耗的短板环节，因此在线监测汽轮机系统运行性能具有重要的意义。一般地，运行性能从能量转换角度用汽轮机装置效率表征，从热耗角度用热耗率表征。近年来，许多电厂都增加了关于汽轮机的能耗分析，通常采用GB/T8117.2-2008或ASME PTC-2004中的方法计算热耗率估计值，但是这种将热力试验方法直接用于在线计算的做法通常导致误差较大，可信度较低。

经过对现有技术的检索，中国专利申请号201110278504.6，公开日2012-1-4，记载了一种基于电厂冷端热量损失的汽轮机组热耗率在线监测装置与方法，首先在冷凝器出入口布置功率变送器、流量传感器、温度传感器等，用于计算冷端热量损失，然后再由机组功率线性推得汽机内功率，这两者之和扣掉凝结水泵、给水泵耗能近似等于工质从锅炉中吸收的热量，进而得到热耗率。该方法中的吸热量计算采用间接计算方法，精度难以保证，另外需要在现场额外安装较多的硬件设备，一次性投入较大，改装成本较高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种燃煤机组基于工质侧能量动态衡算的汽轮机性能在线监测方法。该方法不需要额外增加硬件，而是根据DCS(厂级监控信息系统)控制系统的实时运行测点数据，基于工质侧能量衡算实时监测汽轮机性能。

本发明提供了一种燃煤机组汽轮机性能在线监测方法，具体包括以下步骤：

步骤一、根据锅炉运行设计规程，获得锅炉以下结构参数：各级换热器管道沿工质流动方向的总长度、截面积分布，换热器金属壁质量，从DCS控制系统的实时数据库里读取给定时刻下的运行工况实时数据：汽包压力、主蒸汽流量、热再热蒸汽流量、省煤器出口给水流量、各级换热器测点处的工质温度和压力、换热器金属壁温度；

步骤二、根据工质物性参数库及汽包压力，计算该给定时刻下汽包出口饱和蒸汽比焓和密度，同时设各级换热器相邻关键测点之间工质的温度、压力呈线性分布，并按固定离散化步长将各级换热器划分为一系列微元，计算各微元的工质比焓和密度；

步骤三、根据工质侧动态能量衡算模型，分别计算工质在汽水系统、换热器系统吸收的热量，获得工质总能能量增量；

步骤四、建立工质总能量增量与机组输出功率之间的传递函数模型，并进行离散化得到差分方程模型，通过参数辨识获得汽轮机效率及热耗率，从而实现燃煤机组汽轮机性能在线监测。

优选地，步骤三所述的工质侧动态能量衡算模型，包括汽水系统：水冷壁工质吸热量计算模型；换热器系统：各级过热/再热换热器工质吸热量计算模型、省煤器工质吸热量计算模型。

更优选地，所述水冷壁工质吸热量计算模型，是指通过建立汽包、下降管、水冷壁组成的整个汽水系统的能量和质量动态机理模型计算得到。

更优选地，所述各级过热/再热换热器工质吸热量计算模型，是指按照步骤二中划分的微元，根据各级过热/再热换热器系统工质质量、能量动态衡算方程，求得各级过热/再热换热器工质吸热量。具体的：

质量动态衡算方程：

$D\left(k\right)-D(k-1)=\underset{i=1}{\overset{L/0.1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)A_i\·0.1-\underset{i=1}{\overset{L/0.1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i(k-1)A_i\·0.1---\left(1\right)$ $D_{\mathrm{in}}=\frac{\mathrm{dD}}{\mathrm{dt}}+D_{\mathrm{out}}=\frac{D\left(k\right)-D(k-1)}{\mathrm{\Δt}}+D_{\mathrm{out}}---\left(2\right)$

式中，k表示当前给定时刻；k-1表示前一时刻；常数0.1（米）表示空间离散化步长；i表示离散微元序列号；Δt表示DCS采样时间；D为蓄积在过热/再热换热器系统中的工质总质量；ρ_i为过热/再热换热器系统第i个离散微元内工质的密度；A_i为过热/再热换热器系统第i个离散微元的等效流通面积；对于过热器，D_in为汽包出口(即过热通道入口)饱和蒸汽质量流量；D_out为过热通道出口(即高压缸入口)过热蒸汽(即主蒸汽)质量流量；对于再热器，D_in为再热通道入口(即高压缸出口)冷再热蒸汽质量流量；D_out为再热通道出口(即中压缸入口)热再热蒸汽质量流量。

能量动态衡算方程：

$\begin{array}{c}E\left(k\right)-E(k-1)=\underset{i=1}{\overset{L/0.1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)h_i\left(k\right)A_i\·0.1-\underset{i=1}{\overset{L/0.1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i(k-1)h_i(k-1)A\left(i\right)\·0.1\\ +c_{\mathrm{metal}}{M}_{\mathrm{metal}}\·{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{metal}}\end{array}---\left(3\right)$

$Q=\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}+D_{\mathrm{out}}{h}_{\mathrm{out}}-D_{\mathrm{in}}{h}_{\mathrm{in}}=\frac{E\left(k\right)-E(k-1)}{\mathrm{\Δt}}+D_{\mathrm{out}}{h}_{\mathrm{out}}-D_{\mathrm{in}}{h}_{\mathrm{in}}---\left(4\right)$

式中，E为蓄积在过热/再热换热器系统中的工质总能量；h_i为过热/再热换热器系统第i个离散微元内工质的比焓；c_metal，M_metal和ΔT_metal为过热/再热换热器系统金属壁的比热、总质量和温度增量；Q为过热/再热换热器系统工质从烟气获得的能量；h_in、h_out分别为过热/再热换热器系统入口、出口蒸汽比焓。

更优选地，所述省煤器工质吸热量计算模型，因省煤器中水为液态，可压缩性很小，能量几乎不会蓄积。因此，可以通过能量稳态衡算得到省煤器工质吸热量Q_sm：

Q_sm＝D_fw·(h'_out-h′_in)   (5)

式中，D_fw是给水质量流量；h’_in和h’_out分别为省煤器入口给水比焓和省煤器出口给水比焓。

优选地，步骤四中所述工质总能量增量与机组输出功率之间的传递函数模型及其差分形式具体为：

$\frac{P}{Q_{\mathrm{in}}}=\frac{K}{1+\mathrm{Ts}}---\left(6\right)$

$P\left(k\right)=P(k-1)\·e^{-\frac{\mathrm{\Δt}}{T}}+Q_{\mathrm{in}}(k-1)\·(1-e^{-\frac{\mathrm{\Δt}}{T}})---\left(7\right)$

上式中，P表示机组输出功率，Q_in表示工质从锅炉中吸收的总能量增量，K表示增益，其物理意义即为汽轮机效率η，T表示工质总能量增量转换为机组输出功率的等效时间常数，s表示拉普拉斯算子。

优选地，步骤四中所述参数辨识的目标函数定义为：

式中，N表示进行参数辨识所选取的时间窗口，根据汽轮机工况波动的平均周期统计结果确定，j表示时间窗口内的时间序列号，表示机组功率的预测值，P(j)表示机组功率的实测值。增益K的寻优范围根据汽轮机性能统计分析结果设定，等效时间常数T的寻优范围即蒸汽在汽轮机内的最短和最长停留时间，对给定机组T的范围是确定的。参数辨识方法采用现有数值优化技术，如单纯形法。

优选地，步骤四中所述热耗率HR的计算方法是，基于实时监测的汽轮机效率η，通过现有指标转换式计算：

$\mathrm{HR}=\frac{3600}{\mathrm{\η}}---\left(9\right)$

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所需的各测点数据均从DCS控制系统的实时数据库直接读取，现场不需要额外增加测点、探头或昂贵的仪表，只需在已有的控制系统中增加相应的软件模块即可，附加成本低。该方法可用于在线监测汽轮机运行状况，为机组协调优化提供技术支撑。

附图说明

图1本发明汽轮机性能在线监测流程示意图；

图2本发明一实施例燃煤机组汽轮机性能24h在线监测结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本实施例涉及某亚临界300MW燃煤机组汽轮机性能在线监测，锅炉型号HG-1025/17.3-WM18，为自然循环、一次中间再热、“W”火焰燃烧方式、双拱单炉膛、平衡通风、尾部双烟道、烟气挡板调温、固态排渣、露天布置、全钢架悬吊式汽包炉。汽轮机型号为N300-16.7/537/537，属于一次中间再热、回热抽汽、凝汽式汽轮机机组。如图1所示，本实施例汽轮机性能在线监测具体步骤如下：

步骤一、根据锅炉运行设计规程，获得锅炉以下结构参数，换热器管道沿工质流动方向的总长度L为520.2m，其中过热器总长为396.7m，再热器总长度为123.5m；将总长度L分为5202段等长的一系列微元，每段微元长度设定为0.1m；换热器沿工质流动方向的换热管截面积分布A(i)（即第i段短管的截面积）；换热器金属壁质量1244871kg。

从DCS控制系统的实时数据库中读取给定时刻k下的运行工况实时数据：汽包压力18.3MPa、主蒸汽流量259.1kg/s、热再热蒸汽流量182.3kg/s、省煤器出口给水流量258.6kg/s，各级换热器各段短管工质温度（过热器一级减温器前390.3℃，过热器一级减温器后385.2℃，过热器二级减温器前490.2℃，过热器二级减温器后472.5℃，过热器出口为538.7℃，再热器入口320.2℃，再热器出口537.3℃，省煤器入口270℃，省煤器出口290.4℃）和压力（过热器入口为18.0MPa，过热器出口为16.6MPa，再热器入口3.18MPa，再热器出口3.0MPa，省煤器入口19.4MPa，省煤器出口18.6MPa），换热器金属壁温度382.3℃，机组功率295MW。

步骤二、根据工质物性参数库及汽包压力，计算该给定时刻下汽包出口饱和蒸汽比焓h_bh和密度ρ_bh，同时设各级换热器相邻关键测点之间工质的温度、压力呈线性分布，计算步骤一中所划分的各微元的工质比焓h_gz(i)和密度ρ_gz(i)。

所述工质物性参数库，是指根据水和水蒸气热力性质工业公式（IAPWS-IF97）开发的具有可并行调用的、区域自动判别、批处理运算等特点的用于在线计算的工质物性参数库，可参考文献：王旭辉，于彤，惠兆宇，袁景淇，用于火电全范围仿真的工质物性参数数据库，控制工程，2011；18:131-133。

步骤三、根据工质侧能量衡算模型，分别计算工质在汽水系统、换热器系统中吸收的热量；工质侧能量衡算模型包括水冷壁工质吸热量计算模型、各级过热/再热换热器工质吸热量计算模型、省煤器工质吸热量计算模型。

所述水冷壁工质吸热量计算模型，通过建立汽包、下降管、水冷壁组成的整个汽水系统的能量和质量动态机理模型计算得到，具体可以采用发明专利《锅炉水冷壁吸热量的实时测量方法(专利ZL201010553886.4)》中的技术实现。

所述各级过热/再热换热器工质吸热量计算模型，是指基于步骤一划分的微元，利用各级过热/再热通道工质质量、能量动态衡算方程，计算该给定时刻下各级过热/再热换热器工质吸热量。具体的：

质量动态衡算方程：

$D\left(k\right)-D(k-1)=\underset{i=1}{\overset{L/0.1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)A_i\·0.1-\underset{i=1}{\overset{L/0.1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i(k-1)A_i\·0.1---\left(1\right)$

$D_{\mathrm{in}}=\frac{\mathrm{dD}}{\mathrm{dt}}+D_{\mathrm{out}}=\frac{D\left(k\right)-D(k-1)}{\mathrm{\Δt}}+D_{\mathrm{out}}---\left(2\right)$

式中，k表示当前给定时刻；k-1表示前一时刻；常数0.1（米）表示空间离散化步长；i表示离散微元序列号；Δt表示DCS采样时间，本实施例中为5秒；D为蓄积在过热/再热换热器系统中的工质总质量；ρ_i为过热/再热换热器系统第i个离散微元内工质的密度；A_i为过热/再热换热器系统第i个离散微元的等效流通面积；对于过热器，D_in为汽包出口(即过热通道入口)饱和蒸汽质量流量；D_out为过热通道出口(即高压缸入口)过热蒸汽(即主蒸汽)质量流量；对于再热器，D_in为再热通道入口(即高压缸出口)冷再热蒸汽质量流量；D_out为再热通道出口(即中压缸入口)热再热蒸汽质量流量。

能量动态衡算方程：

$\begin{array}{c}E\left(k\right)-E(k-1)=\underset{i=1}{\overset{L/0.1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)h_i\left(k\right)A_i\·0.1-\underset{i=1}{\overset{L/0.1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i(k-1)h_i(k-1)A\left(i\right)\·0.1\\ +c_{\mathrm{metal}}{M}_{\mathrm{metal}}\·{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{metal}}\end{array}---\left(3\right)$

$Q=\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}+D_{\mathrm{out}}{h}_{\mathrm{out}}-D_{\mathrm{in}}{h}_{\mathrm{in}}=\frac{E\left(k\right)-E(k-1)}{\mathrm{\Δt}}+D_{\mathrm{out}}{h}_{\mathrm{out}}-D_{\mathrm{in}}{h}_{\mathrm{in}}---\left(4\right)$

式中，E为蓄积在过热/再热换热器系统中的工质总能量；h_i为过热/再热换热器系统第i个离散微元内工质的比焓；c_metal，M_metal和ΔT_metal为过热/再热换热器系统金属壁的比热、总质量和温度增量；Q为过热/再热换热器系统工质从烟气获得的能量；h_in、h_out分别为过热/再热换热器系统入口、出口蒸汽比焓。

所述省煤器工质吸热量计算模型，由于省煤器中水为液态，可压缩性很小，能量几乎不会蓄积。因此，可以通过能量衡算得到省煤器工质吸热量Q_sm：

Q_sm＝D_fw·(h'_out-h′_in)   (5)

式中，D_fw是给水质量流量；h’_in和h’_out分别为省煤器入口给水比焓和省煤器出口给水比焓。

步骤四、建立工质总能量增量与机组输出功率之间的传递函数模型：

$\frac{P}{Q_{\mathrm{in}}}=\frac{K}{1+\mathrm{Ts}}---\left(6\right)$

并化为差分形式：

$P\left(k\right)=P(k-1)\·e^{-\frac{\mathrm{\Δt}}{T}}+Q_{\mathrm{in}}(k-1)\·(1-e^{-\frac{\mathrm{\Δt}}{T}})---\left(7\right)$

上式中，P表示机组输出功率，Q_in表示工质从锅炉中吸收的总能量增量，K表示增益，其物理意义即为汽轮机效率η，T表示工质总能量增量转换为机组输出功率的等效时间常数，s表示拉普拉斯算子。

采用单纯形法对汽轮机效率进行参数辨识，其目标函数定义为：

式中，N表示进行参数辨识所选取的时间窗口，j表示时间窗口内的时间序列号，表示机组功率的预测值，P(j)表示机组功率的实测值。本实施例中，N的值为120，K的范围为[0.3,0.6]，T的范围为[0,120]。

进一步，根据汽轮机效率η计算热耗率HR：

$\mathrm{HR}\left(k\right)=\frac{3600}{\mathrm{\η}\left(k\right)}---\left(9\right)$

本发明汽轮机性能在线监测采用汽轮机效率与热耗率两个指标表征，其中热耗率HR基于实时监测的汽轮机效率η，通过上述标准转换式得到，从而实现在线监测。上述监测方法已在现场DCS控制系统中组态实现，图2是连续运行24h后得出的汽轮机性能监测结果，为便于对照，该图同时给出了对应的负荷的测量值。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种燃煤机组汽轮机性能在线监测方法，其特征在于，所述方法包括步骤如下：

步骤一、根据锅炉运行设计规程，获得锅炉以下结构参数：各级换热器管道沿工质流动方向的总长度、截面积分布，换热器金属壁质量；从DCS控制系统的实时数据库里读取给定时刻下的运行工况实时数据：汽包压力、主蒸汽流量、热再热蒸汽流量、省煤器出口给水流量、各级换热器测点处的工质温度和压力、换热器金属壁温度；

步骤二、根据工质物性参数库及汽包压力，计算该给定时刻下汽包出口饱和蒸汽比焓和密度，同时设各级换热器相邻关键测点之间工质的温度、压力呈线性分布，并按固定离散化步长将各级换热器划分为一系列微元，计算各微元的工质比焓和密度；

步骤三、根据工质侧动态能量衡算模型，分别计算工质在汽水系统、换热器系统中吸收的热量，获得工质总能量增量；

步骤四、建立工质总能量增量与机组输出功率之间的传递函数模型，将其离散化得到差分方程模型，通过参数辨识获得汽轮机效率及热耗率，从而实现燃煤机组汽轮机性能在线监测；

步骤三所述的工质侧动态能量衡算模型包括水冷壁工质吸热量计算模型、各级过热/再热换热器工质吸热量计算模型、省煤器工质吸热量计算模型；

所述各级过热/再热换热器工质吸热量计算模型具体为：

质量动态衡算方程：

$D\left(k\right)-D(k-1)=\underset{i=1}{\overset{L/0.1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)A_i\·0.1-\underset{i=1}{\overset{L/0.1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i(k-1)A_i\·0.1$

$D_{\mathrm{in}}=\frac{\mathrm{dD}}{\mathrm{dt}}+D_{\mathrm{out}}=\frac{D\left(k\right)-D(k-1)}{\mathrm{\Δt}}+D_{\mathrm{out}}$

式中，k表示当前给定时刻；k-1表示前一时刻；常数0.1表示空间离散化步长；i表示离散微元序列号；Δt表示DCS采样时间；D为蓄积在过热/再热换热器系统中的工质总质量；ρ_i为过热/再热换热器系统第i个离散微元内工质的密度；A_i为过热/再热换热器系统第i个离散微元的等效流通面积；D_in、D_out分别为过热/再热换热器系统入口、出口蒸汽质量流量；

能量动态衡算方程：

$\begin{array}{c}E\left(k\right)-E(k-1)=\underset{i=1}{\overset{L/0.1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)h_i\left(k\right)A_i\·0.1-\underset{i=1}{\overset{L/0.1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i(k-1)h_i(k-1)A\left(i\right)\·0.1\\ +c_{\mathrm{metal}}{M}_{\mathrm{metal}}\·{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{metal}}\end{array}$

$Q=\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}+D_{\mathrm{out}}{h}_{\mathrm{out}}-D_{\mathrm{in}}{h}_{\mathrm{in}}=\frac{E\left(k\right)-E(k-1)}{\mathrm{\Δt}}+D_{\mathrm{out}}{h}_{\mathrm{out}}-D_{\mathrm{in}}{h}_{\mathrm{in}}$

式中，E为蓄积在过热/再热换热器系统中的工质总能量；h_i为过热/再热换热器系统第i个离散微元内工质的比焓；c_metal，M_metal和ΔT_metal为过热/再热换热器系统金属壁的比热、总质量和温度增量；Q为过热/再热换热器系统工质从烟气获得的能量；h_in、h_out分别为过热/再热换热器系统入口、出口蒸汽比焓。

2.根据权利要求1所述的一种燃煤机组汽轮机性能在线监测方法，其特征在于，步骤四所述的工质总能量增量与机组输出功率之间的传递函数模型及其差分形式为：

$\frac{P}{Q_{\mathrm{in}}}=\frac{K}{1+\mathrm{Ts}}$

$P\left(k\right)=P(k-1)\·e^{-\frac{\mathrm{\Δt}}{T}}+Q_{\mathrm{in}}(k-1)\·(1-e^{-\frac{\mathrm{\Δt}}{T}})$

上式中，P表示机组输出功率；Q_in表示工质从锅炉中吸收的总能量增量；K表示增益；其物理意义即为汽轮机效率η；T表示工质总能量增量转化为机组输出功率的等效的时间常数；s表示拉普拉斯算子。

3.根据权利要求1所述的一种燃煤机组汽轮机性能在线监测方法，其特征在于，步骤四所述辨识方法的目标函数定义为：

式中，N表示进行参数辨识所选取的时间窗口，根据汽轮机工况波动的平均周期统计结果确定；j表示时间窗口内的时间序列号；表示机组输出功率的预测值；P(j)表示机组输出功率的实测值；增益K的寻优范围根据汽轮机性能统计分析结果设定；等效时间常数T的寻优范围即蒸汽在汽轮机内的最短和最长停留时间，对给定机组T的范围是确定的。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种燃煤机组汽轮机性能在线监测方法，其特征在于，所述汽轮机性能在线监测采用汽轮机效率与热耗率两个指标表征，其中热耗率HR基于实时监测的汽轮机效率η，通过标准转换式计算：HR＝3600/η。